水泥稳定砂砾基层产生裂缝的原因与防治措施

水泥稳定砂砾基层产生裂缝的原因与防治措施

郑学伟陈开伟

（新疆石油工程建设有限责任公司，新疆克拉玛依834000）

摘要：半刚性基层的裂缝影响到基层本身的整体性和承载能力，并可导致沥青面层的裂缝及使用年限，预防和消除基层裂缝可以提高道路的承载能力和使用年限。

关键词：水稳基层；裂缝；防治措施

半刚性基层沥青路面以其承载能力高、水稳性和冰冻稳定性好、经济效益显著等优点而得到越来越广泛的关注，至1999年我国建成的4000km高速公路中75%的路面是半刚性基层沥青路面[1]。半刚性基层沥青路面的主要缺陷之一是裂缝，而导致沥青路面产生裂缝的主要原因之一是基层本身的裂缝。裂缝不仅影响到半刚性基层的整体性和承载能力，并且可导致沥青路面的结构性破坏[2]。结合新疆工程实际分析水泥稳定砂砾基层产生裂缝的原因并提出防治基层裂缝的措施，以期初步解决水泥稳定砂砾基层裂缝问题。

1裂缝产生及其原因分析

1.1裂缝原因分析

水泥稳定砂砾等半刚性材料具有干缩和温缩两个特性是半刚性基层产生裂缝的内因。干缩[2]是由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间的作用、材料矿物晶体或凝胶体层间水的作用和碳化作用引起的半刚性材料的体积收缩。温缩[3]是由于组成半刚性材料的固相、液相（水）和气相在降温过程中相互作用而引起的半刚性材料的体积收缩。由于干缩和温缩的综合及反复作用，在基层薄弱处会产生细小横向裂缝，由于应力集中导致裂缝迅速发展。因路面的横向尺寸远小于纵向尺寸，收缩时侧向约束不大，故这种裂缝一般为横向间隔性裂缝，严重时才会发展为纵向裂缝。根据文献[3]，水泥稳定砂砾在失水量为最大失水量50%时的半风干状态所产生的干缩应变为13×10-6～18×10-6，而在新疆地区其温缩应变为AT，其中温缩系数A=10×10-6，温变T=20℃，AT=200×10-6，温缩应变远大于干缩应变，故温变导致的温度应力是水泥稳定砂砾基层产生裂缝的主要原因。

2温度应力计算及裂缝间距

2.1温度应力计算

根据弹性力学[4]理论，假设水泥稳定砂砾基层为一各向同性的等厚度薄板，以基层板体纵向为x轴，横向为y轴，xy面为薄板中面，没有体力和面力，只有变温T的作用，其热弹性力学的物理方程为

Ex=1E（Rx-LRy）+AT

Ey=1E（Ry-LRx）+AT

Cxy=2（1+L）ES（1）

（1）式中Ex、Ey——x方向与y方向的正应变

Rx、Ry——x方向与y方向的正应力Cxy

Sxy——x方向与y方向间的剪应变和剪应力

E——水泥稳定砂砾基层的抗压回弹模量

L——水泥稳定砂砾基层的泊松比

A——水泥稳定砂砾基层的温缩系数

T——变温

由（1）式求解应力分量，即得用形变分量和变温T表示应力分量的物理方程为

Rx=E1-L2（Ex+LEy）-EAT1-LRy=E1-L2（Ey+LEx）-EAT1-LSxy=E2（1+L）Cxy（2）

由于基层半刚性板与底基层间的摩擦阻力约束以及基层内各部分之间的相互作用，板中面不能移动，即Ex=Ey=Cxy=0，代入（2）式得

Rx=Ry=-EAT1-L，

Sxy=0（3）

（3）式说明温度应力是与变温T成正比且各向相同的正应力。

实际工程中水泥稳定砂砾基层板可视为纵向长度远大于横向长度的窄长板，其约束条件为Ex=0，Ry=0，代入（2）式可得

Rx=-EAT，Ey=（1+L）AT（4）

由文献[4]及设计文件查得E=2800MPa，A=10×10-6，L=0.25，根据新疆当地气候条件确定T=20℃，代入（4）式得R

x=0.56MPa（5）

水泥稳定砂砾基层容许拉应力[6]为

RR=Rspks

（5）式中RR——水泥稳定砂砾基层的容许拉应力，MPa

Rsp——水泥稳定砂砾基层龄期90d的劈裂强度

ks——抗拉强度结构系数

对水泥稳定砂砾基层

ks=0.35N0.11e?觟Ac（6）

式中Ne——设计年限内一个车道上累计当量轴次，查设计文件Ne=1.5×107

Ac——公路等级系数，高速公路Ac=1.0

将Ne、Ac值代入式（6）得ks=2.155，查文献[6]附录D表D2，Rsp取为0.5MPa，代入（5）式得

RR=0.232MPa，温度应力Rx>容许拉应力RR。

由此可见在新疆地区水泥稳定砂砾基层暴露一段时间后出现横向裂缝属正常现象，问题的关键在于采取措施减少裂缝。

3防治裂缝措施

3.1控制集料中的细料含量和塑性指数

通过0.075mm筛孔的细料含量控制在5%～7%，细土的塑性指数应尽可能小（不大于4）。严格控制集料级配使之符合文献[6]中要求的级配范围，可以采用掺配等手段优化集料级配。在施工过程中应加强料场清表工作，避免表层细粒土混进成品而加剧干缩和温缩。

3.2加强对底基层的处理

按照文献[6]的要求，在铺筑水泥稳定砂砾前应洒水润湿底基层，清除底基层表面松散料并进行碾压，既降低摩擦系数，减少由于摩擦阻力约束而产生的基层板体的拉应力，又防止底基层吸收混合料中的水分，保证混合料中有足够水分供水泥进行水化作用，促进基层强度的增长，也可降低湿度梯度和温度梯度，从而降低干缩应力和温缩应力。

3.3采用最小的水泥剂量

水泥剂量越大，水泥稳定砂砾材料的强度就越高，刚性就越大，导致基层内出现的收缩裂缝间距越大，裂缝的宽度也越大，裂缝传荷能力也就越差，容易促使沥青面层开裂，产生反射裂缝。限制水泥稳定砂砾材料中水泥剂量的目的主要在于减小水泥稳定材料的收缩性，减少裂缝。

3.4严格控制水泥稳定砂砾基层碾压时的含水量

混合料的含水量应控制在文献[6]允许的范围内，确保在运输过程中水分消耗后混合料含水量保持相对稳定并接近最佳含水量，保证压实并减小干缩应力。特别强调混合料应拌和均匀。

3.5加强养生工作

水泥稳定砂砾基层碾压完成后要及时养生[7]，以保护混合料含水量不受损失。加强施工组织管理，在透层油喷洒完毕后尽快铺筑沥青面层，起到保温保湿作用，以减小温缩应力和干缩应力。

结束语

通过对水泥稳定砂砾基层产生裂缝原因的综合分析提出防治裂缝的措施，并在实际施工中加以运用，特别强调水泥剂量控制、含水量控制及养生工作。在基层下层施工中加大粗集料含量，提高表面粗糙度，并在基层上层施工前洒水润湿下层，以期加强上、下层间的粘结；在条件允许的情况下尽快覆盖沥青面层。以上措施取得了很好的效果。

参考文献

[1]李晓明，粟启元，史景宏.高等级公路半刚性基层沥青路面的维修特性分析[J].公路，1999（10）：26-31.

[2]方福森.路面工程[M].北京：人民交通出版社，1998：103-105.

[3]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京：人民交通出版社，1998：1-843.

[4]徐芝纶.弹性力学（上册）[M].北京：高等教育出版社，1992：161-174.

[5]公路沥青路面设计规范[S].

[6]公路路面基层施工技术规范[S].

[7]商庆森，杨永顺，程广远等.半刚性材料养生问题研究[J].华东公路，2000（3）：55-58.